In this paper, two optimized autofocusing metasurfaces (AFMs) with different desired focal distances are designed by using particle swarm optimization (PSO) algorithm. Based on the finite element simulation software COMSOL Multiphysics, the performance of ultrasound transducer (UT) with AFM at different design parameters in Airy distributions (r0,ω) and the bottom thickness (d) of AFM are simulated and analyzed. Based on the simulation data, the artificial neural network model is trained to describe the complex relationship between the design parameters of AFM and the performance parameters of UT. Then, the multiobjective optimization function for AFM is determined according to the desired performance parameters of UT, including focal position, lateral resolution, longitudinal resolution and absolute sound pressure. In order to obtain AFMs with the desired performance, PSO algorithm is adopted to optimize the design parameters of AFM according to the multiobjective optimization function, and two AFMs are optimized and fabricated. The experimental results well agree with the simulation and optimization results, and the optimized AFMs can achieve the desired performance. The fabricated AFM can be easily integrated with UT, which has great potential applications in wave field modulation underwater, acoustic tweezers, biomedical imaging, industrial nondestructive testing and neural regulation.

准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

为了提升声纳系统的探测性能，该文从扩展水声换能器带宽和提高灵敏度两方面出发，研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器，并选择单金属板空气柱型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。对敏感元件进行机电等效分析和有限元仿真，获得压电材料尺寸的优选范围。根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构。通过建立换能器的制作工艺流程，研制出宽带高灵敏换能器样机。测试结果表明，发送电压响应最高为182.9 dB，发射带宽为170 kHz，接收灵敏度最高达到-173.7 dB，接收带宽为110 kHz，-6 dB波束开角为8.1°。

(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)陶瓷作为一类重要的高性能无铅压电材料体系，有望推动医用超声成像换能器技术的无铅化。对KNN陶瓷进行有效掺杂改性研究，采用固相烧结法制备了具有优异压电性能的KNN基压电陶瓷，其压电常数达400 pC/N，机电耦合系数为55%。基于其高压电、低声阻抗的综合性能设计制备了高分辨力、大带宽及高频率的医用超声换能器，其纵向分辨率达47 μm，-6 dB带宽达93%，中心频率为18.0 MHz。利用此换能器对人体组织模型进行B模式超声成像，获得管状组织的高分辨率结构图像。结果表明，KNN体系陶瓷是一种应用于医用高频超声成像中综合性能优异的材料。

针对空气耦合超声换能器存在换能器与空气介质阻抗失配，易造成电声转换效率低等问题，该文提出了一种采用空心酚醛树脂微球与环氧树脂基体研制的声匹配层，并对匹配层的声学特性进行测试与分析。测试结果表明，与空心玻璃微球匹配层相比，空心酚醛树脂微球匹配层具有声速更低及插入损耗更大的特点。基于此，该文研制了一种空气耦合超声换能器，对两只经匹配后的换能器进行测试，分析了接收信号的时域及频域特征，并与空心玻璃微球匹配层换能器进行性能对比。结果表明，与空心玻璃微球匹配层相比，采用空心酚醛树脂微球匹配层可减小换能器带内起伏，使换能器的-6 dB带宽扩展2倍以上，并在时域上减小接收信号的拖尾。

该文仿真设计了一种高频压电复合材料球形换能器, 利用COMSOL软件建立了有限元模型, 计算了换能器的声辐射特性, 分析了不同压电陶瓷材料、不同基元尺寸对换能器声辐射特性的影响。仿真分析结果表明, 球形高频换能器具有高频、宽带及可全向辐射声波等特性, 能广泛应用于水声探测与成像发射换能器及其阵列。

液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题, 该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500 μm, 空气中谐振频率为136 kHz)组成, 分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明, 该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系, 在776~1 150 kg/m3密度范围内具有良好的响应, 其灵敏度为17 Hz/kg/m3。

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察, 其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列, 进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料, 并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整, 机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试, 并利用其对人体皮肤进行了超声成像, 换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明, 软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽, 这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。

与其他压电材料相比, 1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性, 更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究, 同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65, 声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器, 结果表明, 换能器中心频率为17.68 MHz, -6 dB带宽为84.38%, 插入损耗为-25.4 dB。